Wanneer een hersengebied actiever wordt, neemt de lokale bloedtoevoer en zuurstofvoorziening binnen enkele seconden toe. Functionele magnetische resonantiebeeldvorming detecteert deze hemodynamische veranderingen en brengt zo de locatie van neurale activiteit op een niet-invasieve manier in kaart.

Het meest voorkomende signaal is het BOLD-contrast (blood-oxygen-level-dependent). Deelnemers voeren taken uit in de scanner, terwijl elke één tot drie seconden beelden worden gemaakt. Statistische vergelijking van de taak- en controlecondities onthult hersengebieden waarvan de activiteit correleert met de mentale operatie die onderzocht wordt. Deze methode heeft de cognitieve neurowetenschap revolutionair veranderd door herhaald onderzoek bij dezelfde personen mogelijk te maken en door de gehele hersenen te bestuderen.

De beperkingen omvatten een relatief trage temporele resolutie in vergelijking met EEG en een indirecte relatie met de daadwerkelijke neuronale activiteit. Zorgvuldig experimenteel ontwerp en analyse zijn vereist om valse positieven te voorkomen. Ondanks deze beperkingen blijft fMRI het belangrijkste instrument voor het lokaliseren van de menselijke hersenfunctie bij gezonde en klinische populaties.

Een enkele scansessie kan zowel structurele beelden als uitgebreide functionele datasets opleveren.